(57)【要約】【課題】燃焼器の温度を制御する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池３と、燃料電池３から排出された窒素、水を含んだ未反応の水素の一部を再び燃料電池３へ供給し、残りの排出水素を排出する水素モジュール４と、燃料電池３から排出された排出水素を燃焼する燃焼器７と、燃料電池３から排出された排出水素中の窒素濃度を検出する窒素濃度検出装置１３と含水量を検出する水分検出装置１４と、燃焼器７の温度を検出する温度センサ１２を備える。燃焼器７をバイパスするバイパス流路９を備え、窒素濃度検出装置１３と水分検出装置１４と温度センサ１２の結果によってバイパス流路９へ流れる排出水素ガスの流量を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極に供給された水素と、酸素極に供給された酸化剤によって、電気を発生する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素極から排出された排出水素ガスの少なくとも一部を再び前記燃料電池へ環流し、残りの排出水素ガスを排出する排出手段と、
前記燃料電池環流される排出水素ガスの状態を検出する排出水素ガス状態検出手段と、
前記排出手段によって排出された前記排出水素ガスを燃焼する燃焼手段と、
前記排出手段によって排出された前記排出水素ガスが前記燃焼手段をバイパスするバイパス回路と、
前記燃焼手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記排出水素ガス状態検出手段によって検出された前記排出水素ガスの状態と前記温度検出手段によって検出された前記燃焼手段の温度に応じて、前記燃焼手段へ流れる前記排出水素ガス流量と前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を制御する流量制御手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記燃焼手段の温度が高い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出手段によって排出される排出水素ガス流量を制御する排出水素ガス流量制御手段を備え、
前記流量制御手段は、前記排出水素ガス流量制御手段によって制御される前記排出水素ガスの流量が多い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出水素ガス状態検出手段が、前記燃料電池から排出された前記排出水素ガスの窒素濃度を検出する窒素濃度検出手段を備え、
前記流量制御手段は、前記窒素濃度検出手段によって検出される前記窒素濃度が高い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出水素ガス流量制御手段は、前記窒素濃度検出手段によって検出される前記窒素濃度が高い程、排出する排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出水素ガス状態検出手段が、前記燃料電池から排出された前記排出水素ガスの含水量を検出する含水量検出手段を備え、
前記流量制御手段は、前記含水量検出手段によって検出される前記排出水素ガス中に含まれる水量が多い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出水素ガス流量制御手段は、前記含水量検出手段によって検出される前記排出水素ガス中に含まれる水量が高い程、排出する排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃焼手段と熱交換を行い、前記燃料電池を加熱する熱交換手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
前記温度検出手段によって検出された温度が所定値よりも低い場合は、前記バイパス回路を流れる前記排出水素ガス流量を最小流量とすることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃焼手段に供給する空気量を制御する空気流量制御手段を備え、
前記燃焼手段に供給される前記排出水素ガス流量に応じて、前記空気流量制御手段による空気流量を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池から排出された排出水素の処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池から排出された排出水素ガス中には燃料電池で使用されなかった水素の他に燃料電池の空気極側から窒素や水分が混入しており、これらの成分は燃料電池の発電効率を低下させることから、濃度が高くなった場合には燃焼器で燃焼した後に外部へ放出し、その燃焼熱を燃料改質に利用するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−７７５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の発明では、燃料電池から排出された排出水素ガスは燃焼器に全て送られるために、燃焼器の温度を制御できず、温度上昇による燃焼器の劣化や、排出水素ガス中の水分により燃焼器が失火するといった問題点がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃焼器へ供給する排出水素ガスを制御し、燃焼器の温度を安定させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された排出水素ガスの一部を再び燃料電池へ供給し、残りの排出水素ガスを排出する排出手段と、排出水素ガスを燃料電池から排出された排出水素ガスを燃焼する燃焼手段と、排出水素ガスの状態を検出する排出水素ガス状態検出手段と、燃焼手段の温度を検出する温度検出手段と、燃焼手段をバイパスするバイパス回路を備える。また、排出水素ガスの状態と燃焼手段の温度によってバイパス回路を流れる排出水素ガスの流量を制御する流量制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、例えば、燃料電池から排出された排出水素中の窒素濃度と含水量、または燃焼手段の温度に応じて、排出水素ガスが燃焼手段をバイパスすることで燃焼手段の温度を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。
【０００８】
燃料電池システムは、水素タンク１と、空気供給装置２と、燃料電池３と、水素モジュール４と、燃焼器７を備える。また、水素モジュール４と燃焼器７を接続する配管８と、燃料電池３と燃焼器７を接続する配管１１を備える。配管８にはその途中に開閉弁５を設け、開閉弁５と燃焼器７の間から燃焼器７をバイパスするバイパス回路であるバイパス配管９を備え、バイパス配管９には開度を調整する流量制御手段である可変開度弁６を備える。
【０００９】
空気供給装置２は、例えば、ブロアなどを使用し、外部から空気を取り込み燃料電池３へ空気を供給する。
【００１０】
燃料電池３は、水素タンク１から水素モジュール４を介して供給された水素と、空気供給装置２から供給された空気によって発電を行う。燃料電池３の図示しないアノードでは図示しないカソードから窒素や水が混入し、混入した窒素や水は反応に使用されなかった水素と共に水素モジュール４へ回収される。
【００１１】
水素モジュール４は、水素タンク１から供給された水素を燃料電池３へ供給し、燃料電池３での反応後にアノードから排出された窒素、水分を含む排出水素を回収する。回収した排出水素は水素モジュール４内に設けられた窒素濃度検出手段である窒素濃度検出装置１３によって窒素濃度を検出され、また含水量検出手段である水分検出装置１４によって含水量を検出される。そして、窒素濃度と含水量に応じて、回収した排出水素の一部は配管８を介して、燃焼器７へ排出され、残りの排出水素は再び燃料電池３へ供給される。燃焼器７へ排出される流量は窒素濃度と含水量に応じて、配管８に設けた排出水素ガス流量制御手段である開閉弁５によって制御される（水素モジュール４は排出手段である）。
【００１２】
燃焼器７は、水素モジュール４から配管８を介し、排出された窒素、水を含んだ水素が供給され、配管１１から燃料電池３から排出された空気が供給される。そして供給された空気と水素を燃焼させ、その燃焼ガスを配管１０を介して外部へ排出する。燃焼器７は温度センサ１２を備え、温度検出手段である温度センサ１２によって燃焼器７の温度を検出する（燃焼器７は燃焼手段である）。
【００１３】
バイパス流路９は水素モジュール４と燃焼器７を接続する配管８から分岐しており、燃焼器７をバイパスし、燃焼器７の下流で配管１０と合流する。これにより、水素モジュール４から排出された排出水素の一部が燃焼器７をバイパスして外部へ排出される。また、バイパス流路９に設けられた可変開度弁６を調整することで、燃焼器７とバイパス流路９へ流れる排出水素の流量を調整する。
【００１４】
温度センサ１２、窒素濃度検出装置１３、水分検出装置１４から検出されたそれぞれの信号により、開閉弁５と調整弁６を制御するコントローラ３０を備える。
【００１５】
次にコントローラ３０で行う制御動作について図２のフローチャートを用いて説明する。なお、初期状態として、開閉弁５は閉じている。
【００１６】
燃料電池システムが起動された後に、燃料電池３の発電によってアノードから排出され、窒素、水を含んだ未反応の排出水素を再び燃料電池３のアノードへ循環し、発電の燃料として使用するが、ステップＳ２０では、窒素濃度検出装置１３によって水素モジュール４内の排出水素中の窒素濃度ｄｎを検出し、更に水分検出装置１４によって水素モジュール４内の排出水素中の含水量ｗを検出する。
【００１７】
ステップＳ２１ではステップＳ２０によって検出した窒素濃度ｄｎと含水量ｗを予め設定された閾値ｄ１、ｗ１と比較して、少なくともどちらかの一方の値が閾値を超えていると、ステップＳ２２へ進み、開閉弁５を開き、排出水素を水素モジュール４から排出する。閾値ｄ１、ｗ１を超えていないときには、排出水素の循環を継続する。ここで、閾値ｄ１、ｗ１は、排出水素内の窒素、または水量が多くなり、排出水素を燃料電池３に再び循環させると燃料電池３の発電効率が下がる値であり、予め実験などによって求められる。これによって、燃料電池３に供給される水素中の窒素濃度と含水量を抑えることができ、燃料電池３で効率良く反応を行うことができ、更に水素タンク１から供給される水素量を減らすことができる。
【００１８】
なお、ステップＳ２０では、開閉弁５を窒素濃度ｄｎと含水量ｗに応じて、予めそれぞれ記憶された開度マップから開閉弁５の開度をそれぞれ読み出し、窒素濃度ｄｎと含水量ｗに応じた開閉弁５の開度のうち、どちらか大きい開度に常に調整してもよい。このときには、開閉弁５を初期状態として、閉じていなくてもよい。
【００１９】
ステップＳ２３では、燃焼器７の燃焼温度Ｔを検出し、燃焼温度Ｔに応じた可変開度弁６の開度を図３のマップから読み出す。また、ステップＳ２０で検出した窒素濃度ｄｎ、含水量ｗに応じた可変開度弁６の開度を図４、及び図５のマップからそれぞれ読み出す。図３から図５のマップは予め実験などによって求められており、燃焼温度Ｔが高い程、また、窒素濃度ｄｎ、含水量ｗが大きい程、可変開度弁６の開度は大きくなる。
【００２０】
ステップＳ２４では、ステップＳ２３によって読み出した燃焼温度Ｔ、窒素濃度ｄｎ、含水量ｗに応じた３つの可変開度弁６の開度の中から、一番大きい開度に可変開度弁６の開度を調整する。これによって、燃焼器７の燃焼温度が高い場合には、可変開度弁６の開度を大きくし、燃焼器７をバイパスするバイパス流路９に多くの排出水素が流れるので、燃焼器７の温度を下げることができる。また、窒素濃度ｄｎ、または含水量ｗが多い場合には、可変開度弁６の開度を大きくし、燃焼器７をバイパスするバイパス流路９に多くの排出水素が流れるので、窒素、または水による燃焼器７の失火を防ぐことができる。
【００２１】
なお、ここでは燃焼器７の温度と排出水素の含水量から、例えば、燃焼器７の温度が高く、含水量が多い時には、排出水素量を多くするなど、燃焼器７の温度が或る所定温度範囲に収まるように、燃焼器７へ供給する排出水素量を可変開度弁６によって制御してもよい。
【００２２】
このような上記ステップは或る一定時間、もしくは窒素濃度ｄｎ、含水量ｗが或る所定値よりも小さくなるまで行われる。これにより、燃料電池３での燃料消費を抑え、更に燃焼器７の温度制御を行うことができる。
【００２３】
また、ステップＳ２１では窒素濃度と含水量に加え、水素モジュール４内のガス流量によっても開閉弁５の開度を調整してもよい。ステップＳ２４でも同様に排出水素流量によって可変開度弁６の開度を調整してもよい。
【００２４】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２５】
燃焼器７をバイパスするバイパス流路９を設け、燃焼器７の温度が高い場合には、バイパス流路９へ流す排出水素の流量を多くし、燃焼器７へ流入する排出水素の流量を少なくすることで、燃焼器７の温度が高くなり、燃焼器７の許容温度以上になることを防ぐことができ、燃焼器７の劣化を防ぐことができる。
【００２６】
また、排出水素中の窒素濃度や含水量が多い場合にもバイパス流路９へ流す排出水素の流量を多くし、燃焼器７へ流入する排出水素の流量を少なくし、窒素や水による燃焼器７での失火を防ぐことができる。
【００２７】
次に本発明の第２実形態について図６の構成図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００２８】
この実施形態では、燃焼器７と熱交換を行う熱交換手段である熱交換器１５を備える。また、配管１１に燃焼器７に供給する空気量を制御する空気流量制御手段である可変開度弁１９を備える。水素モジュール４では、水素タンク１から供給された水素を燃料電池３へ供給せずに、全ての水素を配管８を介して燃焼器７へ供給することができる。これにより、氷点下起動時などの燃料電池システムを暖機する必要がある場合に、燃焼器７で発生する熱を熱交換器１５によって熱を受け、燃料電池システムを暖機することができる。
【００２９】
燃料電池システムの起動時に、外気温度検出手段である温度センサ２０で、外気の温度を検出し、その温度が、所定値である水、または水分が凝固する温度の前後、もしくは、氷点前後のときには水素タンク１から水素モジュール４、配管８を介して燃焼器７へ水素を供給し、空気供給装置２から燃料電池３、配管１１を介して可変開度弁１９によって流量を調整した後に、燃焼器７へ空気を供給し、燃焼器７で水素を燃焼する。そして熱交換器１５を流れる冷媒などで熱交換を行い、燃焼器７で生じた熱で、例えば燃料電池３などの燃料電池システムを暖機する。この時、可変開度弁６は全閉、もしくは最小開度とし燃焼器７で燃料効率のよい燃焼を行うことができる。
【００３０】
通常時にコントローラ３０が行う制御動作については、第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００３１】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３２】
氷点下起動時などの燃料電池システムの温度が低い場合には、燃焼器７に水素タンク１から供給された水素を、空気供給装置２から可変開度弁１９によって流量を制御した空気をによって燃焼し、その燃焼熱を熱交換器１５によって回収することができ、その際に、可変開度弁６の開度を全閉、もしくはバイパス流路９を流れる流量が最小流量となるように制御するので、燃焼器７で効率良く、燃焼することができる。
【００３３】
次に本発明の第３実形態について図７の構成図を用いて説明する。第３実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００３４】
この実施形態では、配管８とバイパス流路９の分岐部と燃焼器７の間の配管８に第２流量制御手段である流量制御装置１８を備える。また、バイパス流路９にチェック弁１６を備える。更に、配管１１に燃焼器７に供給する空気量を制御する可変開度弁１９を備える。これらの構成によって、流量制御装置１８は、燃焼器７へ供給する排出水素量を調整し、例えば、可動式のオリフィスを用いた流量制御装置１８によって流量を絞ったときには、配管８内の圧力が上昇し、その圧力が或る設定された所定値を超えるとチェック弁１６が開き、バイパス流路９へ排出水素の一部を流すことができる。
【００３５】
次にコントローラ３０で行う制御動作について図８のフローチャートを用いて説明する。なお、初期状態として、開閉弁５は閉じている。
【００３６】
ステップＳ８０からＳ８２は第１実施形態のステップＳ２０からＳ２２と同じ制御なのでここでの説明は省略する。
【００３７】
ステップＳ８３では、燃焼器７の燃焼温度Ｔを検出し、燃焼温度Ｔに応じた流量制御装置１８の開度を図９のマップから読み出す。また、ステップＳ８０で検出した窒素濃度ｄｎ、含水量ｗに応じた流量制御装置１８の開度を図１０、及び図１１のマップからそれぞれ読み出す。図８から図１１のマップは予め実験などによって求められており、燃焼温度Ｔが高い程、また、窒素濃度ｄｎ、含水量ｗが大きい程、流量制御装置１８の開度は小さくなる。
【００３８】
ステップＳ８４では、ステップＳ８３によって読み出した燃焼温度Ｔ、窒素濃度ｄｎ、含水量ｗに応じた３つの流量制御装置１８の開度の中から、一番小さい開度に流量制御装置１８の開度を調整し、可変開度弁１９によって燃料電池３のカソードから排出された排出空気の流量を調整する。ここで、流量制御装置１８の開度を小さくすると、配管８内の圧力が上昇し、或る所定圧力になるとチェック弁１６が開き、バイパス流路９を通り、排出水素が外部へ排出される。この所定圧力は予め実験などで設定され、圧力の上昇による流量制御装置１８の劣化を防ぎ、更に燃焼器７へ正確に排出水素を供給できる圧力である。燃焼器７の燃焼温度が高い場合には、流量制御装置１８の開度を小さくし、燃焼器７をバイパスするバイパス流路９に多くの排出水素が流れるので、燃焼器７の温度を下げることができる。また、窒素濃度ｄｎ、または含水量ｗが多い場合には、流量制御装置１８の開度を小さくし、燃焼器７をバイパスするバイパス流路９に多くの排出水素が流れるので、窒素、または水による燃焼器７の失火を防ぐことができる。また、可変開度弁１９によって燃焼器７への空気流量を制御するので、燃焼器７の温度をより正確に制御することができる。
【００３９】
なお、ここでは燃焼器７の温度と排出水素の含水量から、例えば、燃焼器７の温度が高く、含水量が多い時には、燃焼器７へ供給する排出水素量を増加し、燃焼器７の温度が或る所定温度範囲に収まるように、燃焼器７へ供給する排出水素量を流量制御装置１８によって制御してもよい。
【００４０】
このような上記ステップは或る一定時間、もしくは窒素濃度ｄｎ、含水量ｗが或る所定値よりも小さくなるまで行われる。これにより、燃料電池３での燃料消費を抑え、更に燃焼器７の温度制御を行うことができる。
【００４１】
また、ステップＳ８１ではステップＳ２１と同様に、窒素濃度と含水量に加え、水素モジュール４内のガス流量によっても開閉弁５の開度を調整してもよい。また、ステップＳ８４でも同様に排出水素流量によって流量制御装置１８の開度を調整してもよい。
【００４２】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００４３】
水素モジュール４と燃焼器７を接続する配管８に流量制御装置１８を設け、流量制御装置１８で流量を絞った場合には、或る所定圧力になるとバイパス流路９に設けたチェック弁１６が開き、バイパス流路９へ排出水素の一部が流れ、外部へ排出されるので、燃焼器７へ正確に排出水素を供給することができ、燃焼器７の温度を正確に制御することができる。また、可変開度弁１９によって燃料電池３から燃焼器７へ供給される排出空気量を調整するので、より正確に燃焼器７の温度を制御することができる。
【００４４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、燃料電池から排出された排出水素ガスを燃焼し、外部へ排出する分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態のコントローラが行う制御動作のフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態での排出水素中の窒素濃度に対する可変開度弁の開度を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態での排出水素中の含水量に対する可変開度弁の開度を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態での排出水素中の燃焼器温度に対する可変開度弁の開度を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態のコントローラが行う制御動作のフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態での排出水素中の窒素濃度に対する流量制御装置の開度を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態での排出水素中の含水量に対する流量制御装置の開度を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施形態での排出水素中の燃焼器温度に対する流量制御装置の開度を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      水素タンク
２      空気供給装置
３      燃料電池
４      水素モジュール（排出手段）
５      開閉弁（排出水素ガス流量制御手段）
６      可変開度弁（流量制御手段）
７      燃焼器（燃焼手段）
９      バイパス流路（バイパス回路）
１２    温度センサ（温度検出手段）
１３    窒素濃度検出装置（窒素濃度検出手段）
１４    水分検出装置（含水量検出手段）
１５    熱交換器（熱交換手段）
１８    流量制御装置（流量制御手段）
２０    温度センサ（外気温度検出手段）
３０    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005135805.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005135805.tif 000011
【図１０】
2005135805.tif 000012
【図１１】
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